CN111994900A - 一种用小分子生长大面积少层氮掺杂石墨烯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用小分子生长大面积少层氮掺杂石墨烯的方法，包括如下步骤：放置原料、设定反应条件、生长和后处理，所述生长原料为芳香族小分子化合物，且所述芳香族小分子化合物的苯环与至少一个氮原子共价连接，所述生长衬底为金属衬底。本发明用小分子生长大面积少层石墨烯的方法通过芳香族小分子化合物提供碳源并在金属衬底上生长大面积少层氮掺杂石墨烯，生长温度达到300～500℃时，金属衬底具有一定的催化还原能力，能够催化芳香族小分子化合物还原成氮掺杂石墨烯并附着于金属衬底上，提升了制备过程的安全性、降低了生产成本。

Description

一种用小分子生长大面积少层氮掺杂石墨烯的方法

技术领域

本发明涉及二维纳米材料的制备技术领域，具体涉及一种新的少层氮掺杂石墨烯的制备工艺，更具体的，涉及一种用有机小分子在相对较低温度下生长大面积少层氮掺杂石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子通过sp2杂化轨道形成六角形呈蜂巢晶格结构且只有一层碳原子厚度的二维纳米材料。石墨烯的独特结构赋予其众多优异特性，如高理论比表面积(2630m²/g)、超高电子迁移率(～200000cm²/v.s)、高热导率 (5000W/m.K)、高杨氏模量(1.0TPa)和高透光率(～97.7％)等。凭其结构和性能优势，石墨烯在能源存储与转换器件、纳米电子器件、多功能传感器、柔性可穿戴电子、电磁屏蔽、防腐等领域均有巨大应用前景。然而，纯净的石墨烯材料因其不具备电子能隙的原因，使其在半导体领域的应用受到了很大的限制，而通过其他原子对石墨烯的掺杂改性，由于新引入的原子与碳原子的电负性差异，新形成的氮掺杂石墨烯会有一定的能隙，可以对纯净石墨烯的电、光、热学性质进行改善。

目前氮掺杂石墨烯产品非常少见，其可以由化学法在液态环境下修饰氧化还原石墨烯粉体，得到带有含氮官能团的氮掺杂石墨烯，也可以由其他复杂的高温生长方法，通过引入碳源和氮源进行生长。这些方法制备的氮掺杂石墨烯尺寸很小(微米级)，制备过程不仅工艺流程复杂、控制系统繁多，操作起来极为繁琐，而且制备过程中涉及的气体成分多为易燃易爆有毒气体，一旦泄露或者发生事故后果不堪设想。另外，现有的氮掺杂石墨烯生产工艺对设备和环境的要求高，成本也高，难以进行产业化应用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用小分子生长大面积少层氮掺杂石墨烯的方法，以解实现用化学气相沉积法制备大面积薄膜状氮掺杂石墨烯的工艺，同时，制备过程中克服了常规化学气相沉积法存在的气体成分多为易燃易爆有毒气体等问题。

本发明提供了一种用小分子生长大面积少层氮掺杂石墨烯的方法，包括如下步骤：

放置原料：提供容置腔和生长腔，所述容置腔与生长腔相连通，在生长腔内放置生长衬底，在容置腔内放置生长原料；

设定反应条件：将容置腔和生长腔均抽真空至10Pa以下，再将容置腔接入保护性气体，所述保护性气体从容置腔引入且从生长腔排出，设定所述保护性气体的流量为50～400sccm，维持容置腔和生长腔内部气压为20～100Pa；

生长：调节生长腔内的温度至300～500℃，再调节容置腔内的温度至30～ 50℃，生长时间为10～200min；

后处理：生长结束后，持续通入保护性气体至生长腔内的温度降至室温，待生长腔内与外部气压平衡时取出生长衬底，制得氮掺杂石墨烯；

所述生长原料为芳香族小分子化合物，且所述芳香族小分子化合物的苯环与至少一个氮原子共价连接，所述生长衬底为金属衬底。

本发明用小分子生长大面积少层石墨烯的方法通过芳香族小分子化合物提供碳源并在金属衬底上生长大面积少层石墨烯，生长温度达到300～500℃时，金属衬底具有一定的催化还原能力，能够催化芳香族小分子化合物还原成石墨烯并附着于金属衬底上，金属衬底有一定催化还原作用，同时对于C也有一定的亲和力，利于石墨烯生长，也利于氮掺杂石墨烯的形成。

本发明用小分子生长大面积少层石墨烯的方法采用生长温度达到300～ 500℃，当生长温度超过500摄氏度时，芳香族小分子化合物的苯环与氮原子之间的C-N键断裂，含氮官能团会被载气带离生长腔室，留下含碳的部分，在金属表面重新排列，得到纯净的石墨烯而非本发明中的氮掺杂石墨烯。因此本方案涉及的生长温度要低于500摄氏度。高于700℃后，原料彻底裂解，会得到无定形的碳材料沉积在金属表面，且安全性下降，成本上升。在此项专利申请中，我们选择了较低的温度，300℃时，远远低于原料的裂解温度，原料到达生长腔室时，可以极大的维持它原有的结构，有机小分子脱氢重排，可以得到氮掺杂的石墨烯。此掺杂为随机掺杂，即N原子在石墨烯中位置为不固定的位置，所得材料为多个单晶随机分散在薄膜上的二维材料。生长温度若低于300℃，则金属衬底失去了催化功能。本研究通过试验证实：苯环上的C-N键键能适中，此类芳香族小分子化合物还原为氮掺杂石墨烯所需要的能量较低，小分子芳香族化合物300～500℃该温度的催化条件下会聚合形成更大共轭体系的结构，由此，也能极大地降低反应温度，提升制备过程的安全性的同时，也能节约能源、降低成本。

在较低的压力下，生长原料的分子具有较自由的移动能力，利于分子重排形成氮掺杂石墨烯，从而省略了常规化学气相沉淀法需要还原性气体的过程，提升了制备过程的安全性、降低了生产成本。

本发明用小分子生长大面积少层石墨烯的方法中设置容置腔内的温度为 30～50℃，该温度下生长原料能够较好的实现挥发且满足生长的需要。当温度低于30℃时，生长原料挥发过于缓慢，无法满足生长氮掺杂石墨烯对于生长腔内的生长原料浓度需求；当温度高于50℃时，生长原料以较快的速度挥发，会被载气快速带离反应腔体，无法实现生长。

优选的，在放置原料步骤中，所述芳香族小分子化合物的苯环与至少一个氨基共价连接，所述金属衬底为铜衬底、镍衬底或者铂衬底。由此，呈液体或者固体状态的芳香族小分子化合物体积小，方便放置以及操作，也易于挥发并且通过载气控制其挥发量；铜衬底、镍衬底或者铂衬底作为衬底材料，催化活性较高、稳定性好，能够较好地催化氮掺杂石墨烯的生长。

优选的，在放置原料步骤中，所述芳香族小分子化合物为苯胺、苯胺衍生物、苯二胺及苯二胺衍生物中的一种，所述铜衬底为铜粉、多晶铜箔及单晶铜片中的一种，所述镍衬底为多晶镍箔或者单晶镍片，所述铂衬底为铂箔或者单晶铂片。由此，苯胺、苯胺衍生物、苯二胺及苯二胺衍生物均具有较好的挥发性，且能够在较低的生长温度下促进苯环断裂、碳结构重新排列成氮掺杂石墨烯。

优选的，在设定反应条件步骤中，将容置腔和生长腔均抽真空至10Pa以下，再将容置腔接入保护性气体，所述保护性气体从容置腔引入且从生长腔排出，设定所述保护性气体的流量为100～200sccm，维持容置腔和生长腔内部气压为50～ 80Pa。由此，通过将容置腔和生长腔均抽真空、接入保护性气体等操作能够保证容置腔和生长腔均填充保护性气体，起到排除空气的作用；设定的保护性气体的流速起到载气的作用，能够不断将挥发出的含氮碳源(芳香族小分子化合物) 运送到生长衬底表面，进一步由生长衬底催化碳源生长成氮掺杂石墨烯。流量控制在100～200sccm起到调配挥发型芳香族小分子化合物与生长衬底催化剂的比例的作用，防止挥发出的芳香族小分子化合物过多而无法充分反应。

优选的，将容置腔和生长腔均抽真空至10Pa以下后，通入保护气体并对腔体进行清洗，之后关断保护气体再次抽真空，重复一次以上，以使生长腔内的气压小于10Pa。由此，通过上述重复操作能够保证生长腔内的空气排尽，便于后续的生长过程进行，也起到保护氮掺杂石墨烯的作用。

优选的，在设定反应条件步骤中，所述保护性气体为氩气。由此，氩气作为一种稳定性强的惰性气体，能够起到保护含氮碳源和氮掺杂石墨烯的作用；同理，氩气作为一种密度合适的载气，能够与挥发型芳香族小分子化合物较好地混合，并将挥发型芳香族小分子化合物运输到生长衬底周围。

优选的，所述保护性气体中包括还原性气体。更优选的，所述还原性气体为氢气、甲烷或者乙炔。若在保护性气体中加入还原性气体，例如H₂、甲烷或者乙炔，借助于保护性气体的还原促进作用，能够促进有机分子还原脱氢过程，更利于反应发生和生成氮掺杂石墨烯。

优选的，在生长步骤中，调节生长腔内的温度至350～500℃，再调节容置腔内的温度至35～50℃，生长时间为30～60min。由此，容置腔内的温度能够较好地促进芳香族小分子化合物挥发，同时不至于因过量挥发导致反应不完全。生长腔内的温度能够保证生长衬底稳定地催化合成氮掺杂石墨烯，同时对氮掺杂石墨烯等也具有一定的保护作用，防止氮掺杂石墨烯氧化，节约能源。

更优选的，在生长步骤中，调节生长腔内的温度至370℃，再调节容置腔内的温度至37℃，生长时间为60min。由此，挥发的芳香族小分子化合物与生产衬底的催化作用能够较好地匹配，促使单层氮掺杂石墨烯在生长衬底表面生长，且生长的单层氮掺杂石墨烯是连续的，面积大、质量高。

优选的，在后处理步骤中，生长腔内的温度降至室温后，再用氩气清洗生长腔1～3次，以使氩气充满生长腔。由此，能够保证氮掺杂石墨烯在保护性气体环境下降至室温，有效地保护了石墨烯，用氩气清洗生长腔1～3次也能保证生长腔内的挥发型气体、有毒有害气体全部进入尾气处理，不至于污染环境。

本发明的优点将会在下面的说明书中部分阐明，一部分根据说明书是显而易见的，或者可以通过本发明实施例的实施而获知。

附图说明

为更清楚地阐述本发明的内容，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。

图1为实施例1制备的石墨烯光学表征图；其中，a为将氮掺杂石墨烯转移到 SiO₂上的光学显微镜表征；b为氮掺杂石墨烯的拉曼表征图，c、d为双球差透射电子显微镜图像；

图2为实施例1制备的氮掺杂石墨烯双球差透射电镜数据；其中，a为低倍放大的氮掺杂石墨烯在TEM铜网上的形貌；b为氮掺杂石墨烯SEAD衍射数据；c为高倍放大的氮掺杂石墨烯TEM照片；

图3为本发明一实施方式提供的用小分子生长大面积少层氮掺杂石墨烯的系统的结构示意图。

具体实施方式

以下所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

第一方面，本发明提供了一种用小分子生长大面积少层氮掺杂石墨烯的方法，包括如下步骤：

放置原料：提供容置腔和生长腔，所述容置腔与生长腔相连通，在生长腔内放置生长衬底，在容置腔内放置生长原料；

设定反应条件：将容置腔和生长腔均抽真空至10Pa以下，再将容置腔接入保护性气体，所述保护性气体从容置腔引入且从生长腔排出，设定所述保护性气体的流量为50～400sccm，维持容置腔和生长腔内部气压为20～100Pa；

生长：调节生长腔内的温度至300～500℃，再调节容置腔内的温度至30～ 50℃，生长时间为10～200min；

后处理：生长结束后，持续通入保护性气体至生长腔内的温度降至室温，待生长腔内与外部气压平衡时取出生长衬底，制得氮掺杂石墨烯；

所述生长原料为芳香族小分子化合物，且所述芳香族小分子化合物的苯环与至少一个氮原子共价连接，所述生长衬底为金属衬底。

优选的，在放置原料步骤中，所述芳香族小分子化合物的苯环与至少一个氨基共价连接，所述金属衬底为铜衬底、镍衬底或者铂衬底。

更优选的，在放置原料步骤中，所述芳香族小分子化合物为苯胺、苯胺衍生物、苯二胺及苯二胺衍生物中的一种，所述铜衬底为铜粉、多晶铜箔及单晶铜片中的一种，所述镍衬底为多晶镍箔或者单晶镍片，所述铂为多晶铂箔或者单晶铂片。

最优选的，所述芳香族小分子化合物为苯二胺，例如可以是邻苯二胺、间苯二胺或者对本二胺，亦或是三者中至少两种的混合物。

优选的，在设定反应条件步骤中，将容置腔和生长腔均抽真空至10Pa以下，例如可以是8Pa、5Pa、3Pa、1Pa，再将容置腔接入保护性气体，所述保护性气体从容置腔引入且从生长腔排出，设定所述保护性气体的流量为100～200 sccm，例如可以是100sccm、120sccm、150sccm、160sccm、180sccm、200sccm。维持容置腔和生长腔内部气压为50～80Pa，例如可以是50Pa、60Pa、70Pa、 80Pa。其中保护性气体优选为惰性气体：氦气、氖气、氩气等。

更优选的，在设定反应条件步骤中，保护性气体为氩气。

优选的，所述保护性气体中包括还原性气体。具体的，所述还原性气体可以为氢气、甲烷、乙炔或者三者任意配合的混合性气体。

更优选的，将容置腔和生长腔均抽真空至10Pa以下后，通入保护气体-氩气，并对腔体进行清洗，之后关断保护气体，再次抽真空，重复一次以上，以使生长腔内的气压小于10Pa。

优选的，在生长步骤中，调节生长腔内的温度至350～500℃，例如可以是： 350℃、380℃、400℃、420℃、450℃、480℃、500℃。再调节容置腔内的温度至35～50℃，例如可以是：35℃、40、45℃、49℃、50℃，基于不同的芳香族小分子化合物的挥发情况，可依实际反应情况适当调整容置腔温度。生长时间为30～60min，例如可以是：30min、40min、50min、60min。

更优选的，在生长步骤中，调节生长腔内的温度至370℃，再调节容置腔内的温度至37℃，生长时间为60min。

优选的，在后处理步骤中，生长腔内的温度降至室温后，再用氩气清洗生长腔1、2、3次，以使氩气充满生长腔。

实施例1

一种用小分子生长大面积少层氮掺杂石墨烯的方法，包括以下步骤：

步骤A：在CVD管式炉的生长腔体内置入生长衬底铜粉，在生长腔体的上风向位置，置入生长原料苯二胺，将生长腔体连入真空体系，上风向接保护性气体气源(氩气)、下风向接真空泵。

步骤B：将生长体系抽真空到气压达到10Pa以下，设定生长温度在370摄氏度，在此温度下，大部分金属衬底都有一定的催化还原能力，促进苯环上的C-C键断裂以及碳原子重排，同时在500摄氏度以下，苯二胺分子可以维持C-N键稳定，可以得到氮掺杂石墨烯。设定氩气流量为100sccm，维持生长腔体内部气压为60Pa，在较低的压力下，原料的分子具有较自由的移动能力，利于分子重排形成氮掺杂石墨烯。

步骤C：维持原料苯二胺处于低于50摄氏度的环境下，苯二胺的饱和蒸气压温度较低(100摄氏度左右)，将原料温度控制在40℃，以保证原料不会过度挥发，同时也能保证生长原料的充足供应，可以最大限度的利用每一个原料分子。生长时间为40分钟。

步骤D：生长结束后，待生长腔体温度降至室温，用氩气清洗生长腔体三次，关断真空泵，用氩气充满生长腔体，待腔内气压与大气压接近后，打开腔体，取出生长衬底，即获得了表面铺设有大面积少层氮掺杂石墨烯的金属材料，可以将氮掺杂石墨烯转移下用于后续工艺，也能直接将相应的金属衬底放置到生长腔内，用于制备表面铺设有大面积少层氮掺杂石墨烯的金属材料。表面铺设有大面积少层氮掺杂石墨烯的金属材料用途广泛，例如用于制作柔性电子器件、包覆金属材料起到提高金属导电性和防腐功能的器件，用于金属材料散热、导热，以及其它制备高效电子器件等。该制备方法相比于现有的化学气气相沉积操作简单、安全，制备出的氮掺杂石墨烯产品质量高，同时石墨烯的含氮量最高可达25％。

将实施例1制备的氮掺杂石墨烯进行如下表征和测试。

如图1所示，1a表示将实施例1中在金属衬底上生长的氮掺杂石墨烯转移到硅片上之后的光学显微镜照片，从照片中可以看到，氮掺杂石墨烯和硅片的背景衬度不同，从转移之后的小裂痕处可以清晰的分辨出氮掺杂石墨烯与背景衬底的差别，转移过程中会或多或少的使部分区域破损，整体来说，此方法生长的氮掺杂石墨烯薄膜是连续的，面积大、质量高。图1b是对应转移到硅片上的氮掺杂石墨烯的拉曼表征数据，可以判断，此材料为类石墨烯材料。

如图1c、1d所示，为实施例1中样品的双球差透射电子显微镜(TEM)数据。图1c为实施例1中样品的SEAD衍射图像，可以看到此样品的衍射光斑为两套六角形点阵，此衍射光斑完全区别于石墨烯的TEM衍射特征，有两套不同的衍射光斑是由于引入的N原子与石墨烯中的C原子的半径和质量的差异导致的，1d为为高倍透射电镜照片，可以清晰的看到干净的氮掺杂石墨烯表面以及六角晶格阵列。

图2a、2b为实施例1中样品的XPS数据，如图2a为C1s数据，图中红色锯齿形曲线为所得原始数据，蓝色平滑曲线为拟合的曲线，可以看到C-C峰的出峰位置位置为284.5eV，经过XPS进一步拟合，可以将C1s数据拟合出C-N、C-C以及C-Si和C-O 峰，结合图2c的统计表格，C-N与C-C峰的相对高度比例，可以清晰的判断出，此样品中的N含量达到25％。由图2b中的N1s谱图，也可以进一步判断此材料中的N 真实存在于材料内部。由以上表征结果可以判断此方法生长的氮掺杂石墨烯结构质量高，此方法稳定可靠。

实施例2

一种用小分子生长大面积少层氮掺杂石墨烯的方法，包括以下步骤：

步骤A：在CVD管式炉的生长腔体内置入生长衬底单晶铜箔，在生长腔体的上风向位置，置入生长原料苯胺，将生长腔体连入真空体系，上风向接保护性气体气源(氩气)、下风向接真空泵。

步骤B：将生长体系抽真空到气压达到8Pa以下，设定生长温度在400摄氏度，在此温度下，大部分金属衬底都有一定的催化还原能力。在500摄氏度以下，苯二胺分子的C-N键可以维持，利于氮掺杂石墨烯生长。设定氩气流量为200sccm，维持生长腔体内部气压为20Pa，在较低的压力下，原料的分子具有较自由的移动能力，利于分子重排形成氮掺杂石墨烯。

步骤C：维持生长原料甲基苯胺的温度在48℃，以保证原料不会过度挥发，同时也能保证生长原料的充足供应，可以最大限度的利用每一个原料分子。生长时间为30分钟。

步骤D：生长结束后，待生长腔体温度降至室温，用氩气清洗生长腔体三次，关断真空泵，用氩气充满生长腔体，待腔内气压与大气压接近后，打开腔体，取出生长衬底，即获得了表面铺设有大面积少层氮掺杂石墨烯的金属材料，含氮量约10％。

实施例3

一种用小分子生长大面积少层石墨烯的方法，包括以下步骤：

步骤A：在CVD管式炉的生长腔体内置入生长衬底多晶镍箔，在生长腔体的上风向位置，置入生长原料硝基苯，将生长腔体连入真空体系，上风向接保护性气体气源(氩气与氢气的体积之比为9:1)、下风向接真空泵。

步骤B：将生长体系抽真空到气压达到10Pa以下，设定生长温度在300摄氏度，在此温度下，大部分金属衬底都有一定的催化还原能力。在500摄氏度以下，苯二胺分子的C-N键维持稳定，利于氮掺杂石墨烯生长。设定保护性气体流量为400 sccm，维持生长腔体内部气压为80Pa，在较低的压力下，原料的分子具有较自由的移动能力，利于分子重排形成氮掺杂石墨烯。

步骤C：维持生长原料苯胺温度控制在20℃，以保证原料不会过度挥发，同时也能保证生长原料的充足供应，可以最大限度的利用每一个原料分子。生长时间为60分钟。

步骤D：生长结束后，待生长腔体温度降至室温，用氩气清洗生长腔体三次，关断真空泵，用氩气充满生长腔体，待腔内气压与大气压接近后，打开腔体，取出生长衬底，即获得了表面铺设有大面积少层氮掺杂石墨烯的金属材料。

第二方面，本发明还提供了一种用小分子生长大面积少层氮掺杂石墨烯的系统，如图3所示，包括容置腔11、生长腔12，保护气装置2、尾气处理装置3及真空泵4。其中，容置腔11与生长腔12相连通，容置腔11用于容置生长原料，生长腔12用于容置生长衬底，由于容置腔11与生长腔12相连通，容置腔11与生长腔12 保持气压平衡。保护气装置2与容置腔11连通，以使保护气装置2通过容置腔11为容置腔和生长腔提供保护气。尾气处理装置3与生长腔连通，以使尾气处理装置3 处理从生长腔12排出的尾气。由此，保护气装置2提供的保护气从容置腔11引入并依次贯穿容置腔11、生长腔12后排出，并通过尾气处理装置3将尾气处理，防止有毒有害气体污染空气。真空泵4与尾气处理装置3连通，以使真空泵4为生长腔12及容置腔11抽真空。生长原料为芳香族小分子化合物，且芳香族小分子化合物的苯环与至少一个氮原子共价连接，生长衬底为金属衬底。

优选的，容置腔11中还可以设有容置台101，用于盛放生长原料。相应的，生长腔12中也可以设置生长台102，用于盛放生长衬底，容置台101与容置腔11可拆卸连接，生长台102均生长腔12可拆卸连接。由此，方便放置生长原、生长衬底的过程。

优选的，容置腔11与生长腔12为同一反应腔体1，且容置腔11与生长腔12分别设于反应腔体1的两端。

优选的，容置腔11与生长腔12为同一反应腔体1，且反应腔体1为管式炉，例如可以是CVD管式炉。

优选的，尾气处理装置3为冷井。

生长氮掺杂石墨烯装置示意图如图3所示，保护气(载气)从左端依次进入容置腔11(实质为管式炉的左端)、生长腔12(实质为管式炉的右端)，芳香族小分子生长原料置于反应腔体的上风向位置，生长衬底位于下风向，尾气由冷阱处理后排放。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种用小分子生长大面积少层氮掺杂石墨烯的方法，其特征在于，包括如下步骤：

放置原料：提供容置腔和生长腔，所述容置腔与生长腔相连通，在生长腔内放置生长衬底，在容置腔内放置生长原料；

设定反应条件：将容置腔和生长腔均抽真空至10Pa以下,再将容置腔接入保护性气体，所述保护性气体从容置腔引入且从生长腔排出，设定所述保护性气体的流量为50～400sccm，维持容置腔和生长腔内部气压为20～100Pa；

生长：调节生长腔内的温度至300～500℃，再调节容置腔内的温度至20～50℃，生长时间为10～200min；

后处理：生长结束后，持续通入保护性气体至生长腔内的温度降至室温，待生长腔内与外部气压平衡时取出生长衬底，制得氮掺杂石墨烯；

所述生长原料为芳香族小分子化合物，且所述芳香族小分子化合物的苯环与至少一个氮原子共价连接，所述生长衬底为金属衬底。

2.如权利要求1所述的用小分子生长大面积少层氮掺杂石墨烯的方法，其特征在于，在放置原料步骤中，所述芳香族小分子化合物的苯环与至少一个氨基共价连接，所述金属衬底为铜衬底、镍衬底或者铂衬底。

3.如权利要求2所述的用小分子生长大面积少层氮掺杂石墨烯的方法，其特征在于，在放置原料步骤中，所述芳香族小分子化合物为苯胺、苯胺衍生物、苯二胺及苯二胺衍生物中的一种，所述铜衬底为铜粉、多晶铜箔及单晶铜片中的一种，所述镍衬底为多晶镍箔或者单晶镍片，所述铂衬底为多晶铂箔或者单晶铂片。

4.如权利要求1所述的用小分子生长大面积少层氮掺杂石墨烯的方法，其特征在于，在设定反应条件步骤中，将容置腔和生长腔均抽真空至10Pa以下，再将容置腔接入保护性气体，所述保护性气体从容置腔引入且从生长腔排出，设定所述保护性气体的流量为100～200sccm，维持容置腔和生长腔内部气压为50～80Pa。

5.如权利要求4所述的用小分子生长大面积少层氮掺杂石墨烯的方法，其特征在于，在设定反应条件步骤中，所述保护性气体为氩气。

6.如权利要求4所述的用小分子生长大面积少层氮掺杂石墨烯的方法，其特征在于，所述保护性气体中包括还原性气体。

7.如权利要求4所述的用小分子生长大面积少层氮掺杂石墨烯的方法，其特征在于，在设定反应条件步骤中，将容置腔和生长腔均抽真空至10Pa以下后，通入保护气体并对腔体进行清洗，之后关断保护气体再次抽真空，重复一次以上。

8.如权利要求1所述的用小分子生长大面积少层氮掺杂石墨烯的方法，其特征在于，在生长步骤中，调节生长腔内的温度至350～500℃，再调节容置腔内的温度至35～50℃，生长时间为30～90min。

9.如权利要求7所述的用小分子生长大面积少层氮掺杂石墨烯的方法，其特征在于，在生长步骤中，调节生长腔内的温度至370℃，再调节容置腔内的温度至37℃，生长时间为60min。

10.如权利要求1所述的用小分子生长大面积少层氮掺杂石墨烯的方法，其特征在于，在后处理步骤中，生长腔内的温度降至室温后，再用氩气清洗生长腔1～3次，以使氩气充满生长腔。

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